¿La óptica reemplazará las interconexiones de cobre? Preguntamos a Ayar Labs • The Register

La ciencia ficción está plagada de visiones fantásticas de la informática. Una de las más generalizadas es la idea de que un día las computadoras funcionarán con luz. Después de todo, ¿qué es más rápido que la velocidad de la luz?

Pero resulta que las brillantes placas de circuito de Star Trek podrían estar más cerca de la realidad de lo que piensas, dice el CTO de Ayar Labs, Mark Wade, a The Register. Si bien las comunicaciones de fibra óptica han existido durante medio siglo, solo recientemente comenzamos a aplicar la tecnología a nivel de placa. A pesar de esto, Wade espera que, en la próxima década, las guías de ondas ópticas comiencen a reemplazar las trazas de cobre en las PCB a medida que despeguen los envíos de productos de E/S ópticas.

Impulsando esta transición hay una serie de factores y tecnologías emergentes que exigen anchos de banda cada vez mayores a través de distancias más largas sin sacrificar la latencia o la potencia.

Si esto le suena familiar, estos son los mismos desafíos que impulsaron a los gigantes de las telecomunicaciones como Bell a reemplazar miles de millas de cables telefónicos de cobre con fibra óptica en la década de 1970.

Como regla general, cuanto mayor sea el ancho de banda, menor será la distancia que puede recorrer sin la ayuda de amplificadores o repetidores para ampliar el alcance a expensas de la latencia. Y esto no es exclusivo de las redes de telecomunicaciones.

Las mismas leyes de la física se aplican a las tecnologías de interconexión como PCIe. A medida que duplica su ancho de banda efectivo con cada generación subsiguiente, la distancia física que la señal puede viajar se reduce.

"En muchos casos, las distancias largas ahora se definen como algo más que unos pocos metros", dijo Wade. "A medida que los anchos de banda de PCIe aumentan cada vez más, ya no puede escapar de la placa del servidor sin colocar un retemporizador en la placa" para aumentar la señal.

"Incluso si puede obtener el ancho de banda del punto A al punto B, la pregunta es cuánta potencia y cuánta latencia", agrega.

Este es exactamente el problema que Ayar Labs está tratando de resolver. La startup de fotónica de silicio ha desarrollado un chiplet que toma señales eléctricas de los chips y las convierte en una señal óptica de gran ancho de banda.

Y debido a que la tecnología utiliza una arquitectura de chiplet, está diseñada para empaquetarse junto con mosaicos de cómputo de otros fabricantes de chips que utilizan estándares abiertos como Universal Chiplet Interconnect Express (UCI-express), que actualmente se encuentra en desarrollo.

La tecnología subyacente ha ayudado a la empresa a recaudar casi 200 millones de dólares de gigantes tecnológicos como Intel y Nvidia, y a asegurar varias asociaciones de alto perfil, incluida una para llevar capacidades de E/S ópticas a la estructura de interconexión Slingshot de alto rendimiento de Hewlett Packard Enterprise.

Si bien Wade cree firmemente que la comunicación óptica a nivel del sistema es inevitable, señala que existen varias aplicaciones para las interconexiones ópticas a corto plazo. Estos incluyen computación de alto rendimiento e infraestructura componible.

"Nuestra afirmación es que el problema de E/S eléctrica se volverá tan grave que las aplicaciones informáticas comenzarán a verse limitadas por su capacidad para cambiar el ancho de banda", dijo. "Para nosotros, eso es inteligencia artificial y aprendizaje automático".

Estos entornos HPC a menudo requieren tecnologías de interconexión especializadas para evitar cuellos de botella. NVLink de Nvidia es un ejemplo. Permite la comunicación de alta velocidad entre hasta cuatro GPU.

Otra área de oportunidad para la E/S óptica, dice Wade, es el tipo de infraestructura componible a nivel de rack prometida por las últimas especificaciones de Compute Express Link (CXL).

CXL define una interfaz común coherente con la memoria caché basada en PCIe para interconectar CPU, memoria, aceleradores y otros periféricos

Las especificaciones CXL 1.0 y CXL 2.0 prometen desbloquear una variedad de funcionalidades de agrupación de memoria y memoria en niveles. Sin embargo, la tercera iteración del estándar abierto, que se espera sea ratificada más adelante este año, ampliará estas capacidades más allá del nivel de rack.

Es en esta etapa del desarrollo de CXL que Wade dice que las ventajas ópticas estarán a la vista.

"Incluso en el nivel CXL 2.0, está muy limitado en el grado en que puede escalar horizontalmente, porque en el momento en que golpea algo como un retemporizador, comienza a incurrir en latencias", lo que hace que la agrupación de memoria sea poco práctica, dijo.

Sin embargo, al menos para la primera generación de productos CXL, Wade espera que la mayoría, si no todos, sean eléctricos. "Hay mucho trabajo de pila de software que se debe realizar para habilitar realmente este tipo de sistemas desagregados" antes de que CXL esté listo para la E/S óptica, dijo.

Pero a medida que las aplicaciones de E/S ópticas se vuelven más frecuentes, Wade predice que la economía de la cadena de suministro hará que la tecnología sea aún más atractiva desde la perspectiva de los costos. "Creemos que vamos a ver una transformación de E/S óptica que comienza a afectar a casi todos los mercados verticales que están construyendo sistemas informáticos".

Por supuesto, llegar allí no estará exento de desafíos, y uno de los más importantes es convencer a los clientes de que la tecnología no solo es más eficiente y económicamente viable, sino que también es lo suficientemente madura para los entornos de producción.

Esta es específicamente la razón por la cual Ayar Labs se enfoca en las interconexiones ópticas en lugar de la óptica co-empaquetada. Una de las razones por las que las ópticas empaquetadas conjuntamente no han despegado es que su radio de salpicadura en caso de falla es significativamente mayor. Si la óptica falla en un interruptor óptico empaquetado conjuntamente, todo el dispositivo se cae. Y muchas de estas mismas preocupaciones se aplican a las E/S ópticas.

"Siempre que tenga un espacio de aplicaciones altamente mercantilizado, estandarizado y con aversión al riesgo, ese no es un lugar para tratar de implementar una nueva tecnología", dijo Wade. Sin embargo, "si tiene una aplicación de alto valor que se beneficia enormemente de los aumentos en el rendimiento del hardware, entonces obviamente se arriesgará más".

Al centrar su atención en los entornos de HPC, Ayar cree que puede refinar sus diseños y establecer una cadena de suministro para los componentes, al tiempo que acumula las horas de operación de campo sustanciales necesarias para vender a mercados más principales.

Para los clientes que están listos y dispuestos a arriesgarse a implementar tecnologías incipientes, la E/S óptica ya está aquí.

"El cliente al que estamos entregando en este momento ya reemplazó sus enlaces a nivel de placa con nuestra E/S óptica", dijo Wade. "Cada enlace de socket a socket es un enlace de E/S óptico, y eso es incluso a nivel de placa".

A medida que la tecnología madura, la pregunta es si las guías de ondas ópticas se integrarán alguna vez en la PCB, al estilo de Star Trek.

"¿Veremos cómo las guías de ondas ópticas se integran en las placas? Creo que veremos algo de eso emerger en la próxima década", dijo. "A medida que el volumen de soluciones de E/S ópticas comience a volverse masivo, algunas de estas soluciones serán más atractivas".

Una vez que comienza a reducirse más allá del nivel de la placa, el futuro de las E/S ópticas se vuelve un poco más turbio. El siguiente paso lógico, dice Wade, sería usar la óptica para conectar los troqueles individuales que forman el chip.

Sin embargo, no espera que esto suceda pronto. "A medida que avanza en la escala milimétrica, las E/S eléctricas tienen, creo, una hoja de ruta saludable por delante", dijo. "Más allá de 10 a 15 años, podríamos ver... la comunicación óptica comienza a entrar en el régimen de escala milimétrica". ®

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